CN101962798A - 用于生产蓝宝石单晶的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于生产蓝宝石单晶的方法和设备。一种方法，其能够生产蓝宝石单晶而不形成裂纹和不使用昂贵的坩埚。该方法包含下述步骤：将籽晶和原料放置于坩埚中；将坩埚设置于圆筒形加热器中；加热坩埚；和在圆筒形加热器中产生温度梯度以使熔体顺序结晶。所述坩埚由具有特定的线性膨胀系数的材料构成，该材料能够防止由坩埚的线性膨胀系数和蓝宝石单晶沿垂直于其生长轴的方向的线性膨胀系数之间的差导致的相互应力在坩埚和蓝宝石单晶中产生，或该材料能够防止由在蓝宝石单晶中的相互应力导致的坩埚的变形而不产生晶体缺陷。

Description

用于生产蓝宝石单晶的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于生产蓝宝石单晶的方法和设备。
背景技术
蓝宝石已用于许多事物中。目前，重要的是使用蓝宝石基材生产LED。在该领域中，LED基材主要通过在蓝宝石基材上通过外延生长缓冲层和氮化镓膜来生产。
因此，需要一种用于生产蓝宝石单晶的方法，该方法能够有效和稳定地生产蓝宝石。
用于生产LED的大部分蓝宝石基材是c面(0001)的基材。按照惯例，在工业领域中，蓝宝石单晶通过导膜生长(EFG)法、泡生(KP)法、提拉(CZ)法等生产。在生产直径为3英寸以上的单晶的情况下，在其中将产生各种晶体缺陷，所以已可选择地使用沿a轴生长的单晶。为了通过加工a轴蓝宝石晶体而形成c轴蓝宝石梨晶，必须将a轴蓝宝石晶体从一侧挖空(hollow)。因此，上述常规技术具有以下缺点：加工晶体困难；需要遗留大量废弃部分；和需要降低材料产率。
公知垂直布里奇曼法(垂直梯度凝固法)作为用于生产氧化物单晶的方法。在垂直布里奇曼法中，使用薄壁坩埚以从该薄壁坩埚中容易地取出生产的晶体。然而，蓝宝石单晶由高温熔体形成，所以需要在高温下具有高强度和高耐化学性的薄壁坩埚材料。日本特开专利公布P2007-119297A公开了一种在高温下具有高强度和高耐化学性的材料。在该日本专利公布中，坩埚由铱构成，该由铱构成的坩埚在高温下具有高强度和高耐化学性。
然而，在该日本专利公布中公开的常规技术具有以下缺点：坩埚由铱构成，可是铱是非常昂贵的；铱的线性膨胀系数大，所以结晶过程中坩埚收缩，应力施加于晶体，在蓝宝石晶体上形成裂纹。
发明内容
因此，在本发明一方面中的目的是提供一种用于生产蓝宝石单晶的方法和设备，该方法和设备能够生产蓝宝石单晶而不形成裂纹和不使用昂贵的坩埚。
为了实现此目的，本发明的方法包含下述步骤：
将籽晶和原料放置于坩埚中；
将所述坩埚设置于位于生长炉中的圆筒形加热器中；
加热所述坩埚以熔融所有所述原料和一部分所述籽晶；和
在所述圆筒形加热器中产生温度梯度，其中上部的温度高于下部的温度，以进行用于使所述熔体顺序结晶的定向凝固法，
该方法的特征在于，所述坩埚由具有特定的线性膨胀系数的材料构成，该材料能够防止由所述坩埚的线性膨胀系数和所述要生产的蓝宝石单晶沿垂直于其生长轴的方向的线性膨胀系数之间的差导致的相互应力在所述坩埚和所述蓝宝石单晶中产生，或者能够防止由所述相互应力导致的所述坩埚的变形，不产生在所述蓝宝石单晶中的由相互应力导致的晶体缺陷。
接下来，本发明的设备进行下述步骤：将籽晶和原料放置于坩埚中；将所述坩埚设置于位于生长炉中的圆筒形加热器中；加热所述坩埚以熔融所有所述原料和一部分所述籽晶；和在所述圆筒形加热器中产生温度梯度，其中上部的温度高于下部的温度，以进行用于使熔体顺序结晶的定向凝固法，和
该设备的特征在于，所述坩埚由具有特定的线性膨胀系数的材料构成，该材料能够防止由所述坩埚的线性膨胀系数和所述要生产的蓝宝石单晶沿垂直于其生长轴的方向的线性膨胀系数之间的差导致的相互应力在所述坩埚和所述蓝宝石单晶中产生，或者能够防止由所述相互应力导致的所述坩埚的变形，不产生在所述蓝宝石单晶中的由相互应力导致的晶体缺陷。
在该方法和设备中，坩埚可由下述材料构成，该材料在蓝宝石的熔融温度和室温之间的线性膨胀系数小于要生产的蓝宝石单晶在蓝宝石的熔融温度和室温之间的沿垂直于生长轴的方向的线性膨胀系数。
在该方法和设备中，坩埚可由下述材料构成，该材料在蓝宝石的熔融温度和等于或高于室温的各任意温度之间的线性膨胀系数总是小于要生产的蓝宝石单晶从蓝宝石的熔融温度至室温的沿垂直于生长轴的方向的线性膨胀系数。
例如，坩埚可由钨、钼或钨和钼的合金构成。
此外，该方法可进一步包含下述步骤：
在使熔体结晶后，在同一生长炉中，通过降低圆筒形加热器的加热功率冷却圆筒形加热器的内部空间，直到达到规定温度；和
将坩埚放置在作为圆筒形加热器中间部分的保温区中预定的时间，以将坩埚中的蓝宝石单晶退火。
在该方法和设备中，即使蓝宝石单晶的生长轴为c轴，也可生长蓝宝石单晶而不形成晶体缺陷如裂纹。
在本发明中，坩埚由具有特定的线性膨胀系数的材料构成，以致尽管进行使熔体结晶和使单晶冷却的步骤，也可防止将由坩埚的收缩导致的应力施加于生长的单晶上。因此，可防止在蓝宝石晶体中产生晶体缺陷如裂纹，和可生产几乎不具有晶体缺陷的高质量的蓝宝石单晶。此外，可防止坩埚的变形并且当取出晶体时没有应力施加于晶体和坩埚的内壁面上，以致可容易地取出晶体和可重复使用坩埚。
本发明的目的和优点将通过在权利要求书中具体指出的元素和组合来实现和获得。
在此声明，应理解，上文一般性描述和下文具体描述是示例性和说明性的，而不是本发明的限定。
附图说明
现在，本发明的实施方案将通过实施例和参照附图来描述，其中：
图1是用于生产蓝宝石单晶的设备的截面图；
图2是示出钨、钼、蓝宝石沿垂直于c轴的方向和蓝宝石沿c轴的方向的线性膨胀系数的图；
图3A-3F是示出使蓝宝石结晶和使蓝宝石单晶退火的步骤的说明图；
图4A和4B是冷却的坩埚的说明图，其中在坩埚的内壁面和蓝宝石单晶的外表面之间形成间隙；
图5是在实施例1中生产的蓝宝石单晶的照片；和
图6是在实施例2中生产的蓝宝石单晶的照片。
具体实施方式
参照附图，现在将详细描述本发明的优选实施方案。
图1是用于生产蓝宝石单晶的设备(生长炉)10的截面图。
设备10是已知的垂直布里奇曼炉。将简要说明炉的结构。设备(生长炉)10的内部空间由圆筒形夹套12围起，冷却水流动通过该夹套，将垂直配置的至少一个圆筒形加热器14设置在炉的内部空间。注意，在本实施方案中，使用一个圆筒形加热器14。
在本实施方案中，圆筒形加热器14是碳加热器。控制部(未示出)控制圆筒形加热器14的电力分配以调节圆筒形加热器14的温度。
绝缘构件16围起圆筒形加热器14并形成炉膛18。
通过控制圆筒形加热器14的电力分配，温度梯度可在炉膛18中垂直产生。
将轴22的上端连接至坩埚20的底部。通过垂直移动轴22，坩埚20在圆筒形加热器14中垂直移动。通过围绕轴线转动轴22，转动坩埚20。
轴22通过滚珠丝杠(未示出)垂直移动，以致垂直移动坩埚20的速度可精确控制。
生长炉10具有两个开口部(未示出)以供给和放出惰性气体(优选氩气)。生长炉10在生长晶体时充满惰性气体。
注意，温度计(未示出)设置在生长炉10中的多个位置。
坩埚20由具有特定的线性膨胀系数的材料构成，该材料能够防止由坩埚的线性膨胀系数和要生产的蓝宝石单晶沿垂直于蓝宝石单晶生长轴的方向的线性膨胀系数之间的差导致的相互应力在坩埚20和生长的蓝宝石单晶中产生，或该材料能够防止由相互应力导致的坩埚20的变形，不产生在生长的蓝宝石单晶中的由相互应力导致的晶体缺陷。
优选地，坩埚20由下述材料构成，该材料在蓝宝石的熔融温度(2050℃)和室温之间的线性膨胀系数小于要生产的蓝宝石单晶在蓝宝石的熔融温度(2050℃)和室温之间的沿垂直于生长轴的方向的线性膨胀系数。
在蓝宝石的熔融温度和室温之间的线性膨胀系数(α)通过下式计算：
α＝(L1-L0)/L0(T1-T0)
其中，L0为在蓝宝石熔融温度下的长度，L1为在室温下的长度，T0为蓝宝石的熔融温度，和T1为室温。
更优选地，坩埚20由下述材料构成，当晶体从蓝宝石的熔融温度(2050℃)冷却至室温时，该材料在蓝宝石的熔融温度(2050℃)和等于或高于室温的各任意温度之间的线性膨胀系数总是小于要生产的蓝宝石单晶沿垂直于生长轴的方向的线性膨胀系数。
在蓝宝石的熔融温度和等于或高于室温的各任意温度之间的线性膨胀系数(α)通过下式计算：
α＝(Lx-L0)/L0(Tx-T0)
其中，L0为在蓝宝石熔融温度下的长度，Lx在任意温度下的长度，T0为蓝宝石的熔融温度，和Tx为任意温度。
注意，线性膨胀系数(α)可为测量的数据或现有的数据。
坩埚20的材料可为例如钨、钼或钨和钼的合金。
图2是示出钨、钼、蓝宝石沿垂直于c轴的方向和蓝宝石沿c轴的方向的在蓝宝石的熔融温度和等于或高于室温的各任意温度之间的线性膨胀系数的图。
具体地，正如图中清楚地示出，在各温度下，钨的线性膨胀系数小于蓝宝石的线性膨胀系数。在由上述材料构成的各坩埚20中，当进行结晶步骤、退火步骤和冷却步骤时，坩埚20的收缩率小于蓝宝石的收缩率，以致坩埚20的内壁面与生产的蓝宝石单晶的外表面分开，没有应力施加于生产的蓝宝石单晶，并能够防止在晶体中形成裂纹。
接下来，参照图3A-3F说明结晶步骤和退火步骤。
在图3A中，将蓝宝石籽晶24和原料26放置于坩埚20中。
控制由圆筒形加热器14围起的生长炉10的热区温度。即，如在图3F中示出，热区上部的温度高于蓝宝石的熔融温度；热区下部的温度低于蓝宝石的熔融温度。
将已容纳蓝宝石籽晶24和原料26的坩埚20从热区的下部移动至其上部。当使原料26和蓝宝石籽晶24的上部熔融时，停止坩埚20向上的移动(参见图3B)。接下来，将坩埚20在预定的低速下向下移动(参见图3C)。随着这些动作，原料26和蓝宝石籽晶24的熔体逐渐结晶并沿着剩余的蓝宝石籽晶24的晶面沉积(参见图3C和3D)。
将蓝宝石籽晶24设置于坩埚20中，蓝宝石籽晶24的c面是水平的。熔体沿着c面，即沿着c轴的方向生长。
因为坩埚20由上述材料如钨构成，当进行结晶步骤、退火步骤和冷却步骤时，坩埚20的内壁面与生产的蓝宝石单晶的外表面分开，如在图4B中示出。因此，没有外部应力施加于生产的蓝宝石晶体上并可防止在其中形成裂纹。此外，没有应力施加于坩埚20的内壁面和生产的晶体上，以致可容易地从坩埚20中取出生产的晶体和可重复使用坩埚20而不变形。
在本实施方案中，在使熔体结晶后，在同一生长炉10中，通过降低圆筒形加热器14的加热功率冷却圆筒形加热器14的内部空间，直到达到规定温度如1800℃，将坩埚20向上移动直到到达圆筒形加热器14的保温区28(参见图3F)，该保温区是圆筒形加热器14的中间部分，并且保温区中的温度梯度低于其它部分(参见图3E)。坩埚20在保温区28中放置预定时间如1小时，以将在坩埚20中的蓝宝石单晶退火。
通过将在相同生长炉10中的坩埚20中的蓝宝石单晶退火，退火步骤可有效地进行，可消除在生产的晶体中的热应力。因此，可生产几乎没有晶体缺陷的高质量蓝宝石单晶。因为在坩埚20中的生产的晶体可在同一生长炉10中结晶和退火，可有效地生产期望的晶体和可降低能量消耗。注意，上述退火处理有效地除去所生产的晶体的残余应力。在生产的晶体较少地产生应力的情况下，可省略退火步骤。
在上述实施方案中，进行垂直布里奇曼法(定向凝固法)。此外，蓝宝石单晶可通过其它的定向凝固法如垂直梯度凝固(VGF)法结晶和退火。同样在垂直梯度凝固法中，在圆筒形加热器中，将坩埚向上移动，直到到达保温区以进行退火步骤。
在上述实施方案中，晶体的生长轴为c轴。此外，a轴或垂直于R面的方向也可为生长轴。
(实施例1)
将蓝宝石单晶(上表面直径为77.5mm；尖锥角为2°；厚度为30mm；和重量为539.4g)放置于由钨构成的坩埚中作为籽晶。将蓝宝石单晶的边料(offcut)(重量为1664.1g)放置于籽晶上作为原料。设计籽晶，以致在籽晶外表面和坩埚内壁面之间形成0.3mm的间隙。在籽晶和坩埚内壁面之间形成规定的间隙以防止在膨胀的籽晶和坩埚的内壁面之间的紧密接触。
坩埚的内侧底部的直径为76mm，其内壁面为锥角2°和内径向上逐渐增加的锥面(female taper face)。
将坩埚设置于圆筒形电炉中，该电炉具有2050℃以上的热区，以生产蓝宝石单晶。
当升高电炉的温度并获得恒定加热功率时，将坩埚以2-10mm/h的速度向上移动55mm，以熔融籽晶的一部分，即，籽晶高度的一半。
从那里，将坩埚以2-5mm/h的速度向下移动120mm，以生长蓝宝石单晶。在此过程中，温度梯度为7℃/cm。
然后，降低电炉的加热功率以冷却单晶。同时，将坩埚以20-23mm/h的速度向上移动140mm，以移动坩埚至保温区，保温区是圆筒形炉的中间部分，其中温度梯度为5-2℃/cm，以致将生长的单晶退火和将残余应力去除。在退火处理中，将单晶的温度降低至1800℃并在1800℃下保持1小时，然后降低加热功率以冷却生长的单晶而不改变坩埚的高度。
在坩埚的内壁面和要取出的蓝宝石单晶之间形成间隙，以致蓝宝石单晶可容易地从坩埚中取出。生产的蓝宝石单晶作为单晶生长而不产生裂纹，并具有115mm的长度(参见图5)。生产的蓝宝石单晶的重量为2203.5g，该重量等于放置于坩埚中的籽晶和原料的总重量。
在生产蓝宝石单晶后测量坩埚的外径。测量的直径等于在生产蓝宝石单晶前的坩埚直径。坩埚内面的表面条件没有改变。
将生产的蓝宝石单晶切片以形成晶片，将各晶片的两面磨平。该工艺可适当进行而不形成裂纹。
(实施例2)
将c轴蓝宝石单晶(上表面直径为77mm；尖锥角为2°；厚度为50mm；和重量为940g)放置于由钼构成的坩埚中作为籽晶。将蓝宝石单晶的边料(重量为150g)放置于籽晶上作为原料。设计籽晶，以致在籽晶外表面和坩埚内壁面之间形成0.5mm的间隙。
坩埚的内侧底部的直径为76mm，其内壁面为锥角为1.2°和内径向上逐渐增加的锥面。
将坩埚设置于圆筒形电炉中，该电炉具有2050℃以上的热区，以生产蓝宝石单晶。
当升高电炉的温度并获得恒定加热功率时，将坩埚以5-20mm/h的速度向上移动60mm，以熔融籽晶的一部分，即，距离籽晶下表面起约35mm处。
从那里，将坩埚以2mm/h的速度向下移动60mm，以生长蓝宝石单晶。在此过程中，温度梯度为7℃/cm。
然后，降低电炉的加热功率以冷却单晶。同时，将坩埚以22mm/h的速度向上移动150mm，以移动坩埚至保温区，保温区是圆筒形炉的中间部分，其中温度梯度为5-2℃/cm，以致将生长的单晶退火和将残余应力去除。在退火处理中，将单晶的温度降低至1800℃并在1800℃下保持3.5小时，然后降低加热功率以冷却生长的单晶而不改变坩埚的高度。
间隙在坩埚的内壁面和要取出的蓝宝石单晶之间形成，以致蓝宝石单晶可容易地从坩埚中取出。生产的蓝宝石单晶作为单晶生长并具有62mm的长度，但是在外周面中形成20mm裂纹(参见图6)。生产的蓝宝石单晶的重量为1090g，和该重量等于放置于坩埚中的籽晶和原料的总重量。
优选地，在本发明中使用的坩埚已预先进行热处理以防止变形。
上文已说明了与本发明相关的两个实施例。坩埚的钨材料的线性膨胀系数根据钨材料类型或生产坩埚的方式轻微改变，但是当将蓝宝石单晶从2050℃冷却至室温时，在2050℃和等于或高于室温的各任意温度之间，钨材料的线性膨胀系数小于蓝宝石单晶的线性膨胀系数。目前，认为钨是坩埚最优选的材料。
另一方面，坩埚的钼材料在2050℃和室温之间的线性膨胀系数小于蓝宝石单晶在2050℃和室温之间的线性膨胀系数。因此，生产的蓝宝石单晶可容易地从坩埚中取出。然而，钼坩埚，在2050℃和等于或高于室温的各任意温度之间的线性膨胀系数大于蓝宝石单晶在特定的温度范围内的线性膨胀系数，所以当冷却生产的晶体时在坩埚和蓝宝石单晶之间产生压应力。因此，认为20mm裂纹在蓝宝石单晶的外周面上形成，如实施例2中描述。通常，钼的线性膨胀系数大于钨的线性膨胀系数，所以虽然钼不是最优选的坩埚材料，但是一些钼材料实现了本发明的方法和设备。
此外，钨和钼的合金可用作坩埚的材料。
所有此处描述的实施例和条件术语意欲用于教学目的以帮助读者理解本发明和由本发明人提出的以深入该技术的概念，并解释为不限于此类具体引用的实施例和条件，本说明书中此类实施例的组织也不涉及显示本发明的优势和劣势。虽然已详细描述本发明的实施方案，但是应理解对于本发明可做出各种变化、替代和选择而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (16)

1.一种用于生产蓝宝石单晶的方法，
其包括下述步骤：
将籽晶和原料放置于坩埚中；
将所述坩埚设置于位于生长炉中的圆筒形加热器中；
加热所述坩埚以熔融所有所述原料和一部分所述籽晶；和
在所述圆筒形加热器中产生温度梯度，其中上部的温度高于下部的温度，以进行用于使所述熔体顺序结晶的定向凝固法，
其中，所述坩埚由具有特定的线性膨胀系数的材料构成，该材料能够防止由所述坩埚的线性膨胀系数和所述要生产的蓝宝石单晶沿垂直于其生长轴的方向的线性膨胀系数之间的差导致的相互应力在所述坩埚和所述蓝宝石单晶中产生，或者能够防止由所述相互应力导致的所述坩埚的变形，不产生在所述蓝宝石单晶中的由相互应力导致的晶体缺陷。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述坩埚由下述材料构成：在蓝宝石的熔融温度和室温之间，该材料的线性膨胀系数小于要生产的蓝宝石单晶沿垂直于所述生长轴的方向的线性膨胀系数。
3.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述坩埚由下述材料构成：从蓝宝石的熔融温度至室温，该材料在蓝宝石的熔融温度和等于或高于室温的各任意温度之间的线性膨胀系数总是小于所述要生产的蓝宝石单晶沿垂直于所述生长轴的方向的线性膨胀系数。
4.根据权利要求1所述的方法，
其进一步包含下述步骤：
在使所述熔体结晶后，在同一生长炉中，通过降低所述圆筒形加热器的加热功率冷却所述圆筒形加热器的内部空间，直到达到规定温度；和
将所述坩埚在作为所述圆筒形加热器中间部分的所述圆筒形加热器保温区中放置预定的时间，以在所述坩埚中将所述蓝宝石单晶退火。
5.根据权利要求2所述的方法，
其进一步包含下述步骤：
在使所述熔体结晶后，在同一生长炉中，通过降低所述圆筒形加热器的加热功率冷却所述圆筒形加热器的内部空间，直到达到规定温度；和
将所述坩埚在作为所述圆筒形加热器中间部分的所述圆筒形加热器保温区中放置预定的时间，以在所述坩埚中将所述蓝宝石单晶退火。
6.根据权利要求3所述的方法，
其进一步包含下述步骤：
在使所述熔体结晶后，在同一生长炉中，通过降低所述圆筒形加热器的加热功率冷却所述圆筒形加热器的内部空间，直到达到规定温度；和
将所述坩埚在作为所述圆筒形加热器中间部分的所述圆筒形加热器保温区中放置预定的时间，以在所述坩埚中将所述蓝宝石单晶退火。
7.根据权利要求1所述的方法，
其中所述坩埚由钨构成。
8.根据权利要求1所述的方法，
其中所述坩埚由钨和钼的合金构成。
9.根据权利要求2所述的方法，
其中所述坩埚由钼构成。
10.根据权利要求1所述的方法，
其中所述蓝宝石单晶的生长轴为c轴。
11.一种用于生产蓝宝石单晶的设备，所述设备进行下述步骤：将籽晶和原料放置于坩埚中；将所述坩埚设置于位于生长炉中的圆筒形加热器中；加热所述坩埚以熔融所有所述原料和一部分所述籽晶；和在所述圆筒形加热器中产生温度梯度，其中上部的温度高于下部的温度，以进行用于使熔体顺序结晶的定向凝固法，
其中，所述坩埚由具有特定的线性膨胀系数的材料构成，该材料能够防止由所述坩埚的线性膨胀系数和所述要生产的蓝宝石单晶沿垂直于其生长轴的方向的线性膨胀系数之间的差导致的相互应力在所述坩埚和所述蓝宝石单晶中产生，或者能够防止由所述相互应力导致的所述坩埚的变形，不产生在所述蓝宝石单晶中的由相互应力导致的晶体缺陷。
12.根据权利要求11所述的设备，
其中，所述坩埚由下述材料构成：该材料在蓝宝石的熔融温度和室温之间的线性膨胀系数小于要生产的蓝宝石单晶在蓝宝石的熔融温度和室温之间的沿垂直于所述生长轴的方向的线性膨胀系数。
13.根据权利要求11所述的设备，
其中，所述坩埚由下述材料构成：从蓝宝石的熔融温度至室温，该材料在蓝宝石的熔融温度和等于或高于室温的各任意温度之间的线性膨胀系数总是小于所述要生产的蓝宝石单晶沿垂直于所述生长轴的方向的线性膨胀系数。
14.根据权利要求11所述的设备，
其中所述坩埚由钨构成。
15.根据权利要求11所述的设备，
其中所述坩埚由钨和钼的合金构成。
16.根据权利要求12所述的设备，
其中所述坩埚由钼构成。
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